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防止电源在过电流条件下受损

为了确保电源在其生命周期内安全可靠地运行,通常会配备多种保护机制。其中一些机制在发生短路故障时限制输出电流,防止电源元件过热或损坏,从而使设备在故障排除后恢复正常运行。然而,某些使用案例和负载在特定条件下可能会触发这些保护机制,导致对故障源的混淆。因此,要判断故障是出在电源本身还是被供电设备上,必须了解电源所采用的保护机制及其局限性。

什么是短路

多数工程师都曾亲身经历过短路的后果:电线裸露的一端接触到接地外壳,"啪"的一声,电子元件就冒烟了。但在设计电源时,必须明确"短路"的定义,以构建相应的保护电路。通常,短路被定义为连接电阻低于1 Ω,或由于分流电阻导致输出电压下降至100 mV 以下的情形。在单输出电源中,短路发生在 +VOUT 和 -VOUT 之间。

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图 1: 如果没有合适的保护电路,短路会损坏电源。

从恒流限制、折返电流限制(fold-back current limitation)到打嗝模式(hiccup mode),电源保护方式多种多样。但用户并不一定能察觉到这些保护机制是否已被触发,这使得故障诊断更加困难。此外,某些负载(如电容、电机)在某些条件下的电气特性与短路类似,也可能误触保护机制。

恒流限制是如何工作的?

当发生短路时,采用恒流限制的电源会在输出电流不变的情况下,将输出电压降至几乎为零。实际测量时,可能会有几毫伏的残余电压。在这种情况下,保护电路会确保电源的输出晶体管不受损。设备可以无限期地承受此种状态,确保即使在无人值守时也能安全运行。

务必了解的是,这与某些电源提供的"恒流过载保护"不同。数据手册可能指定 "恒流模式" 的输出电流为最大额定输出的 105 – 130%,但长期在该条件下工作会损毁电源。

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图 2:限流电路持续输出指定电流,同时将电压降至接近零(左图)。简单的恒流限制电路(右图)。

折返电流限制提供什么保护?

另一种保护机制是折返电流限制。一旦电流消耗超过预定值时,该机制就会降低电流与电压。随着电流消耗的增加,电流和电压都会进一步降低。由于该机制尚未统一定义,电源设计人员可根据具体需求灵活实现。在查找此类设备故障时,由于电压与电流值似乎偏离数据手册的正常范围,这可能会造成混淆。

假设应用的电流消耗经常超过额定最大电流,但其水平不足以被视作短路。在这种情况下,电源仍有永久性损坏或故障的风险。而在真正的短路条件下,相较于恒流限制方法,折返电流限制能为电源更好地保护输出晶体管。

当发生短路时,采用恒流限制的电源会在输出电流不变的情况下,将输出电压降至几乎为零。实际测量时,可能会有几毫伏的残余电压。在这种情况下,保护电路会确保电源的输出晶体管不受损。设备可以无限期地承受此种状态,确保即使在无人值守时也能安全运行。

务必了解的是,这与某些电源提供的"恒流过载保护"不同。数据手册可能指定 "恒流模式" 的输出电流为最大额定输出的 105 – 130%,但长期在该条件下工作会损毁电源。

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图 3:折返限流可同时降低输出电流与电压,电压降低的精确量可能有所不同,且没有统一定义。

然而,非线性和非欧姆负载可能引发问题。此类负载产生的大浪涌电流可能会导致"锁死"状态,即电源进入限流状态后无法自动退出的情况。

打嗝模式是如何保护电源的?

为了避免上述"锁死"现象,一些设计采用数字控制的"打嗝模式"保护。顾名思义,一旦检测到短路情况,电源会定期反复尝试重启其输出。由于输出电路已关闭,晶体管、MOSFET和肖特基二极管等元件的热过载风险显著降低。同样,与折返限流类似,打嗝模式也没有实施标准,因此重启尝试的时间间隔可能从几十毫秒到几秒不等。

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图 4:打嗝模式通过在短路情况下关闭输出来保护电源。然后,它会自动尝试重启。

我应该更换电源的内部保险丝吗?

保险丝是保护电源输出的另一种方式。但它们的规格选择比较困难,因为正如我们所见,并非所有的大电流状态都意味着短路。一旦保险丝熔断,就必须找到合适的替代品,而这可能并不总是唾手可得。这也是为什么电子保护机制是当今先进电源的标准配置。

电源会配有内部保险丝,旨在防止故障。但还是建议联系供应商进行分析。切勿自行打开或改装电源。